定义
原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象。
正常塞曼效应
1896年,荷兰物理学家塞曼使用半径10英尺的凹形罗兰光栅观察磁场中的钠火焰的光谱,他发现钠的D谱线似乎出现了加宽的现象。随后塞曼的老师、荷兰物理学家亨德里克·洛伦兹在理论上解释了谱线分裂成三条的原因,他认为,由于电子存在轨道磁矩,并且磁矩方向在空间的取向是量子化的,因此在磁场作用下能级发生分裂,谱线分裂成间隔相等的3条谱线。塞曼和洛仑兹因为这一发现共同获得了1902年的诺贝尔物理学奖。这种现象称为“塞曼效应”。塞曼效应是继1845年法拉第效应和1875年克尔效应之后发现的第三个磁场对光有影响的实例。塞曼效应证实了原子磁矩的空间量子化,为研究原子结构提供了重要途径,被认为是19世纪末20世纪初物理学最重要的发现之一。
反塞曼效应(anomalous Zeeman effect)
1897年12月,普雷斯顿(T.Preston)报告称,在很多实验中观察到光谱线有时并非分裂成3条,间隔也不尽相同,人们把这种现象叫做为反常塞曼效应,将塞曼原来发现的现象叫做正常塞曼效应。反常塞曼效应的机制在其后二十余年时间里一直没能得到很好的解释,困扰了一大批物理学家。1925年,两名荷兰学生乔治·乌伦贝克(G.E.Uhlenbeck,1900-1974)和撒姆尔·高斯密特(S.A.Goudsmit,1902-1978)提出了电子自旋假设,很好地解释了反常塞曼效应。
正常塞曼效应的理论解释
不加外磁场时,原子在两个能级E1和E2(E1<E2)之间跃迁的能量差为:
原子核的磁矩比电子磁矩小大约三个数量级。如果只考虑电子的磁矩对原子总磁矩的贡献,那么磁场引起的附加能量为:
其中磁感应强度B的方向取为z轴方向,μz是磁矩在z方向上的投影。是电子总角动量J在z方向投影的量子数,可以取
共2J+1个值,
是电子总角动量的朗德因子,μB是玻尔磁子。
这样,原子的每一个能级分裂成若干分立的能级,两个能级之间跃迁的能量差为:
对于自旋为零的体系有。由于跃迁的选择定则
,频率v只有三个数值:
因此一条频率为v的谱线在外磁场中分裂成三条谱线,相互之间频率间隔相等,为。
正常塞曼效应和反常塞曼效应的区别:
(1)正常塞曼效应一般都会出现在强磁场情况;反常塞曼效应在磁场不是很强的情况下出现。
(2)只有自旋为单态,即总自旋为0的谱线才表现出正常塞曼效应;非单态的谱线在磁场中表现出反常塞曼效应。
(3)正常塞曼效应,原子核的磁矩比电子磁矩小大约三个数量级;反常塞曼效应谱线分裂条数不一定是3条,间隔也不一定是一个洛仑兹单位。
参考文献
[1] Zeeman, P. Philosophical Magazine, 43, 226.. 1897.